jádro pokročilého testovacího reaktoru v Národní laboratoři Idaho nekouří modře,protože existují… modrá světla zapojena, ale spíše proto, že se jedná o jaderný reaktor produkující relativistické, nabité částice, které jsou obklopeny vodou. Když částice procházejí touto vodou, překračují rychlost světla v tomto médiu, což způsobuje, že vyzařují Čerenkovovo záření, které se jeví jako toto zářící modré světlo.,
Argonne National Laboratory
nic se nemůže pohybovat rychleji než rychlost světla. Když Einstein stanovil svou teorii relativity, byl to jeho nedotknutelný postulát: že existuje konečný mez kosmické rychlosti a že ji mohou dosáhnout pouze částice bez hmoty. Všechny masivní částice mohou pouze blížit, ale nikdy dosáhnout. Rychlost světla byla podle Einsteina stejná pro všechny pozorovatele ve všech referenčních rámcích a žádná forma hmoty ji nikdy nemohla dosáhnout.,
ale tato interpretace Einsteina vynechává důležitou námitku: to vše platí pouze ve vakuu čistě, dokonale prázdného prostoru. Prostřednictvím média jakéhokoli typu – ať už je to vzduch, voda, sklo, akryl, nebo jakýkoli plyn, kapalina, nebo pevná látka — světlo cestuje měřitelně pomalejší rychlostí. Energetické částice, na druhé straně, jsou vázány pouze na pomalejší cestování než světlo ve vakuu, ne světlo v médiu. Využitím této vlastnosti přírody můžeme skutečně jít rychleji než světlo.,
světlo vyzařované sluncem prochází vakuem prostoru přesně 299,792,458 m / s: the… konečný limit kosmické rychlosti. Jakmile však toto světlo zasáhne médium, včetně něčeho jako zemská atmosféra, tyto fotony klesnou rychlostí, protože se pohybují pouze rychlostí světla tímto médiem. Zatímco žádná masivní částice nemůže nikdy dosáhnout rychlosti světla ve vakuu, může snadno dosáhnout nebo dokonce překročit rychlost světla ve médiu.,
Fyodor Yurchikhin / ruská kosmická agentura
Představte si paprsek světla, který cestuje přímo od Slunce. Ve vakuu vesmíru, pokud nejsou přítomny žádné částice nebo hmota, bude skutečně cestovat na maximální mez kosmické rychlosti, c: 299,792,458 m / s, rychlost světla ve vakuu. I když lidstvo vyrábí extrémně energetických částic v urychlovači lhc a akcelerátory — a zjištěny i další energetické částice přicházející z extragalaktických zdrojů — víme, že nemůže prolomit tuto hranici.,
na LHC mohou zrychlené protony dosáhnout rychlostí až 299,792,455 m/s, jen 3 m/s pod rychlostí světla. U LEP, který urychlil elektrony a pozitrony namísto protonů ve stejném tunelu CERN, který LHC nyní zabírá, byla nejvyšší rychlost částic 299,792,457. 9964 m / s, což je nejrychlejší zrychlená částice, která kdy byla vytvořena. A nejvyšší energie kosmického záření hodiny s mimořádnou rychlostí 299,792,457.999999999999918 m/s, což by ztratit závod s photon k Andromedě a zpět o pouhých šest sekund.,
Všechny nehmotné částice se pohybují rychlostí světla, ale rychlost světla se mění v závislosti na… ať už jde o cestování vakuem nebo médiem. Pokud byste měli závodit s nejvyšší energií částice kosmického paprsku, která kdy byla objevena s fotonem do galaxie Andromeda a zpět, cesta ~5 milionů světelných let, částice by ztratila závod přibližně o 6 sekund.,
NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
můžeme urychlit částice hmoty velmi blízko k rychlosti světla ve vakuu, ale nikdy nemůže dosáhnout nebo překročit. To však neznamená, že nikdy nemůžeme jít rychleji než světlo; To znamená, že nemůžeme jít rychleji než světlo ve vakuu. V médiu je příběh velmi odlišný.
můžete to vidět sami tím, že projdete paprskem slunečního světla, který zasáhne Zemi hranolem., Zatímco světlo pohybující se vzduchem může cestovat rychlostí tak blízkou rychlosti světla ve vakuu, že jeho odchod je nepostřehnutelný, světlo přes hranol se jasně ohýbá. To je způsobeno skutečností, že rychlost světla výrazně klesá v hustším médiu: je to jen ~225 000 000 m/s ve vodě a jen 197 000 000 m/s v korunovém skle. Tato pomalá rychlost, v kombinaci s řadou zákonů o ochraně, zajišťuje, že světlo se ohýbá i rozptýlí v médiu.
chování bílého světla při průchodu hranolem ukazuje, jak se světlo liší…, energie se pohybují různými rychlostmi prostřednictvím média, ale ne vakuem. Newton byl první, kdo vysvětlil odraz, refrakci, absorpci a přenos, stejně jako schopnost bílého světla rozdělit se do různých barev.
University of Iowa
tato vlastnost vede k úžasné predikci: možnost, že se můžete pohybovat rychleji než světlo, pokud jste v médiu, kde je rychlost světla pod rychlostí světla ve vakuu., Například mnoho jaderných procesů způsobuje emise nabité částice — jako je elektron-fúzí, štěpením nebo radioaktivním rozpadem. Zatímco tyto nabité částice mohou být energické a rychle se pohybující, nikdy nemohou dosáhnout rychlosti světla ve vakuu.
ale pokud tuto částici projdete médiem, i když je to něco tak jednoduchého jako voda, najednou zjistí, že se pohybuje rychleji než rychlost světla v tomto médiu., Dokud je toto médium tvořeno částicemi hmoty a je nabitá částice rychleji než světlo, vyzařuje zvláštní formu záření, která je charakteristická pro tuto konfiguraci: Čerenkov (výrazné Čerenkovské) záření.
Reactor nuclear experimental RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, ukazující charakteristiku… Čerenkovské záření z emitovaných částic rychleji než světlo ve vodě. Neutrina (nebo přesněji antineutrina) poprvé předpokládaná Pauli v roce 1930 byla detekována z podobného jaderného reaktoru v roce 1956., Moderní experimenty nadále pozorují nedostatek neutrina, ale tvrdě pracují na jeho kvantifikaci jako nikdy předtím, zatímco detekce Čerenkovova záření způsobila revoluci ve fyzice částic.
Centro Atomico Bariloche, přes Piecky Darío
Čerenkovské záření je příznačné se jeví jako modrá záře, a je emitováno vždy, když se nabitá částice pohybuje rychleji než světlo v daném prostředí. To je nejčastěji vidět, jak je uvedeno výše, ve vodě obklopující jaderné reaktory., Reakce uvnitř způsobují emise vysokoenergetických částic, které se pohybují rychleji než světlo ve vodě, ale podstatné množství vody, prostorového reaktoru, aby se štít vnější prostředí od škodlivých emisí záření.
to je pozoruhodně efektivní!, Existují elektromagnetické interakce, které se vyskytují mezi nabitou částicí v pohybu a (nabitými) částicemi tvořícími médium, kterým prochází, a tyto interakce způsobují, že cestující částice emitují záření určité energie ve všech přípustných směrech: radiálně směrem ven, kolmo ke směru jejího pohybu.
tato animace ukazuje, co se stane, když se relativistická nabitá částice pohybuje rychleji než světlo… v médiu., Interakce způsobují částice vyzařují kužel Čerenkovova záření známý jako záření, které je závislé na rychlosti a energii dopadající částice. Detekce vlastností tohoto záření je nesmírně užitečná a rozšířená Technika v experimentální částicové fyzice.
vlastni dilo / h. Seldon / public domain
ale protože částice emitující záření je v pohybu, a protože se pohybuje tak rychle, všechny tyto emitované fotony budou posíleny., Místo toho, aby prsten z fotonů, které se jednoduše pohybuje směrem ven, tato částice pohybující se rychleji než světlo ve střednědobém to cestuje přes — vyzařují kužel záření, které se šíří ve stejném směru pohybu jako částice vyzařují.
Čerenkovovo záření vychází v úhlu definovaném pouze dvěma faktory:
- rychlost částice (včástice, rychlejší než světlo v médiu, ale pomalejší než světlo ve vakuu),
- a rychlost světla v médiu (vlight).
ve skutečnosti je vzorec opravdu jednoduchý: θ = cos-1 (vlight/vparticle)., V prosté angličtině to znamená, že úhel, ve kterém světlo vychází, je inverzní kosinus poměru těchto dvou rychlostí, rychlost světla ve médiu k rychlosti částice.
nádrž naplněná vodou v Super Kamiokande, která stanovila nejpřísnější limity na životnost… protonu. Tato obrovská nádrž je nejen naplněna kapalinou, ale lemována fotomultiplierovými trubkami., Když dojde k interakci, jako je neutrinový úder, radioaktivní rozpad nebo (teoreticky) protonový rozpad, vzniká Cherenkovovo světlo a může být detekováno fotomultiplierovými trubicemi, které nám umožňují rekonstruovat vlastnosti a původ částic.
ICRR, Kamioka Observatory, University of Tokyo
Existuje několik důležitých věcí, aby oznámení o Čerenkovské záření. První je, že nese jak energii, tak hybnost, která musí nutně pocházet z částice, která se pohybuje rychleji než světlo v médiu., To znamená, že částice, které vyzařují Čerenkovské záření, se zpomalují kvůli jeho emisím.
druhým je, že úhel, kterým je Čerenkovovo záření emitováno, nám umožňuje určit rychlost částice, která způsobila její emise. Pokud můžete měřit Čerenkovovo světlo, které pochází z určité částice, můžete rekonstruovat vlastnosti této částice., Způsob, jakým to v praxi funguje, spočívá v tom, že můžete nastavit velkou nádrž materiálu s fotomultiplierovými trubkami (schopnými detekovat jednotlivé fotony) lemujícími okraj a zjištěné Čerenkovské záření umožňuje rekonstruovat vlastnosti příchozí částice, včetně toho, kde vznikla ve vašem detektoru.
událost neutrina, identifikovatelná kruhy Cerenkovova záření, které se objevují podél… fotonásobiče podšívka detektor stěny, představí úspěšné metodiky neutrinové astronomie a využití využití Čerenkovova záření., Tento obrázek ukazuje více událostí a je součástí sady experimentů, které nám připravují cestu k většímu pochopení neutrin.
Super Kamiokande spolupráce
je Zajímavé, Čerenkovské záření bylo se domníval, ještě předtím, než Einsteinova teorie relativity, kde strádal v zapomnění. Matematik Oliver Heaviside to předpověděl v letech 1888-9 a nezávisle Arnold Sommerfeld (který pomáhal kvantovat atom vodíku) to udělal v roce 1904., Ale s příchodem Einsteinovy speciální relativity z roku 1905 se nikdo nezajímal o tuto myšlenkovou linii, aby ji znovu zvedl. I když Marie Curie pozorovala modré světlo v koncentrovaném roztoku radia (v roce 1910), nezkoumala jeho původ.
místo toho padl na mladého výzkumníka jménem Pavel Čerenkov, který pracoval na luminiscenci těžkých prvků. Když vzrušujete prvek, jeho elektrony spontánně vybuzují, kaskádují se v energetických hladinách a vyzařují světlo jako oni., To, čeho si Čerenkov všiml a pak zkoumal, bylo modré světlo, které se nehodilo pouze do tohoto rámce. Bylo ve hře něco jiného.
kosmické paprsky, které jsou ultra vysoké energetické částice pocházející z celého vesmíru, udeří… protony v horní atmosféře a produkují sprchy nových částic. Rychle se pohybující nabité částice také vyzařují světlo díky Čerenkovovu záření, když se pohybují rychleji než rychlost světla v zemské atmosféře. V současné době existuje dalekohled pole jsou postavena a rozšířena na detekci Čerenkovova světla přímo.,
Simona s tím mečem (U. Chicago), NASA
Čerenkovské připraveny vodné roztoky, které byly bohaté na radioaktivitu, a všiml si, že charakteristické modré světlo. Když máte fluorescenční jev, kde elektrony de-excitují a emitují viditelné záření, je toto záření izotropní: stejné ve všech směrech. Ale s radioaktivním zdrojem ve vodě nebylo záření izotropní, ale spíše vyšlo v kuželech. Později se ukázalo, že tyto kužely odpovídají emitovaným nabitým částicím., Nová forma záření, špatně pochopil v době Čerenkovské roku 1934 objev, byl proto pojmenován Čerenkovské záření.
o Tři roky později, Čerenkovské teoretické kolegové Igor Tamm a Ilya Frank byli schopni úspěšně popsat tyto účinky v kontextu teorie relativity a elektromagnetismu, které vedly k Čerenkovské detektory stává užitečným a standardní techniky v experimentální částicové fyziky. Tři sdíleli Nobelovu cenu za fyziku v roce 1958.,
V roce 1958 Nobelovu Cenu za fyziku byla udělena tři individuální primárně odpovědné za… odhalení experimentálních a teoretických vlastností záření emitovaného, když se nabité částice pohybují rychleji než světlo v médiu. Modrá záře, dnes známá jako Čerenkovské záření, má ve fyzice i dnes obrovské uplatnění.,
Nobel Media AB 2019
Čerenkovovo záření je tak pozoruhodným jevem, že když první zrychlené elektrony, v prvních dnech částicové fyziky ve Spojených státech, fyzici zavřeli jedno oko a postavili ho do cesty, kde by měl být elektronový paprsek. Pokud by byl paprsek zapnutý, elektrony by produkovaly Čerenkovovo záření ve vodném prostředí oční bulvy fyzika a tyto záblesky světla by naznačovaly, že se vyrábějí relativistické elektrony., Jakmile se účinky záření na lidské tělo lépe pochopily, byla zavedena bezpečnostní opatření, aby se zabránilo otravě fyziků.
ale základní jev je stejný bez ohledu na to, kam jdete: nabitá částice pohybující se rychleji než světlo se pohybuje v médiu, vydá kužel modrého záření, zpomalí a odhalí informace o své energii a hybnosti. Stále nemůžete překonat maximální mez kosmické rychlosti, ale pokud nejste v pravém, dokonalém vakuu, můžete vždy jít rychleji než světlo. Vše, co potřebujete, je dostatek energie.